RU2379723C1 - High-aperture lens with offset pupils for infrared area of spectrum - Google Patents
High-aperture lens with offset pupils for infrared area of spectrum Download PDFInfo
- Publication number
- RU2379723C1 RU2379723C1 RU2008134733/28A RU2008134733A RU2379723C1 RU 2379723 C1 RU2379723 C1 RU 2379723C1 RU 2008134733/28 A RU2008134733/28 A RU 2008134733/28A RU 2008134733 A RU2008134733 A RU 2008134733A RU 2379723 C1 RU2379723 C1 RU 2379723C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- component
- lens
- components
- meniscus
- menisci
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Lenses (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам для инфракрасной (ИК) области спектра, и может быть использовано в оптических системах тепловизоров, например, таких, во входном зрачке которых установлены сканирующие элементы, а в выходном - охлаждаемая диафрагма фотоприемного устройства (ФПУ).The invention relates to the field of optical instrumentation, and in particular to lenses for the infrared (IR) region of the spectrum, and can be used in optical systems of thermal imagers, for example, such as scanning elements installed in the entrance pupil and a cooled diaphragm of the photodetector in the exit pupil (FPU) )
Наличие вынесенных входного и выходного зрачков в светосильном объективе для ИК области спектра позволяет оптимальным образом, без виньетирования, осуществить оптическое сопряжение этой системы, например, как с размещаемой перед ним афокальной системой, выходной зрачок которой совмещается с входным зрачком объектива, так и с ФПУ, содержащим охлаждаемую диафрагму, выполняющую в этом случае функцию выходного зрачка объектива. По своей оптической сути светосильный объектив для ИК области спектра представляет собой многокомпонентную оптическую систему, в которой апертурная диафрагма размещена в пространстве изображений между последней поверхностью и задней фокальной плоскостью объектива, а ее проекция в пространство предметов расположена перед первым компонентом оптической системы на таком удалении от последнего, величина которого достаточна для размещения, например, сканера.The presence of remote entrance and exit pupils in the high-aperture lens for the infrared region of the spectrum allows optimal optical pairing of this system without vignetting, for example, both with the afocal system placed in front of it, the exit pupil of which is combined with the entrance pupil of the lens, and with FPU, containing a cooled diaphragm, performing in this case the function of the exit pupil of the lens. In its optical essence, the fast aperture lens for the IR region of the spectrum is a multicomponent optical system in which the aperture diaphragm is located in the image space between the last surface and the rear focal plane of the lens, and its projection into the space of objects is located in front of the first component of the optical system at such a distance from the last , the size of which is sufficient to accommodate, for example, a scanner.
Известна оптическая система для ИК области спектра [RU 2006128691 А, Оптическая система для ИК области спектра, 2008, п.1 формулы], содержащая последовательно расположенные по ходу лучей объектив, состоящий из трех линз и строящий действительное промежуточное изображение, проекционный объектив, состоящий из четырех линз, и вынесенный выходной зрачок. Недостатком этой системы является большое количество линз. Наличие большого числа преломляющих поверхностей (14 преломляющих поверхностей) ведет к снижению коэффициента пропускания, что особенно критично для оптических систем, изготовленных из материалов с большими по величине показателями преломления, и, как следствие, к снижению физической светосилы системы в целом. Кроме того, в оптической системе для ИК области спектра отсутствует вынос входного зрачка в пространство предметов, что не позволяет без виньетирования наклонных пучков лучей использовать эту систему совместно со сканером или осуществить сопряжение с афокальной системой.Known optical system for the infrared region of the spectrum [RU 2006128691 A, Optical system for the infrared region of the spectrum, 2008, claim 1, formula], comprising a sequentially arranged along the rays of the lens, consisting of three lenses and building a valid intermediate image, a projection lens, consisting of four lenses, and a rendered exit pupil. The disadvantage of this system is the large number of lenses. The presence of a large number of refractive surfaces (14 refractive surfaces) leads to a decrease in transmittance, which is especially critical for optical systems made of materials with large refractive indices, and, as a result, to a decrease in the physical aperture of the system as a whole. In addition, in the optical system for the infrared region of the spectrum, there is no removal of the entrance pupil into the space of objects, which does not allow using this system together with the scanner or pairing with the afocal system without vignetting inclined beams of rays.
Известен также объектив с вынесенным входным зрачком [Патент РФ №2281536, 2006] для ИК области спектра, содержащий три одиночных компонента, первый из которых (по ходу лучей) - одиночный мениск, обращенный вогнутостью к предмету, второй - двояковыпуклая одиночная линза, третий - мениск, обращенный вогнутостью к изображению, имеющий следующие характеристики: фокусное расстояние 74,55 мм, относительное отверстие 1:2,4, угловое поле в пространстве предметов 17°, удаление входного зрачка 16 мм. Недостатками этого объектива являются низкая светосила, отсутствие действительного выходного зрачка. Низкая светосила объектива не позволяет обеспечить высокую температурную чувствительность в тепловизионной системе, использующей такой объектив. Отсутствие действительного выходного зрачка ограничивает возможности использования объектива совместно с ФПУ, имеющим охлаждаемую диафрагму, совмещение которой с выходным зрачком (апертурной диафрагмой) позволяет минимизировать уровень шумов тепловизора и, соответственно, повысить его температурную чувствительность.Also known is a lens with a remote entrance pupil [RF Patent No. 2281536, 2006] for the IR region of the spectrum containing three single components, the first of which (along the rays) is a single meniscus facing concavity to the object, the second is a biconvex single lens, and the third a meniscus facing concavity to the image, having the following characteristics: focal length 74.55 mm, relative aperture 1: 2.4, angular field in the space of objects 17 °, removal of the entrance pupil 16 mm. The disadvantages of this lens are low aperture, lack of a valid exit pupil. The low aperture of the lens does not allow for high temperature sensitivity in a thermal imaging system using such a lens. The absence of a valid exit pupil limits the possibility of using the lens in conjunction with a FPU having a cooled diaphragm, the combination of which with the exit pupil (aperture diaphragm) allows minimizing the noise level of the thermal imager and, accordingly, increasing its temperature sensitivity.
Наиболее близким по технической сущности, принятым за прототип, является светосильный объектив с вынесенными зрачками для ИК области спектра [Патент US 6274868 B1, 2001. Оптическая схема - фиг.3, конструктивные параметры - таблицы 1 и 1а], содержащий расположенные по ходу лучей первый, второй и третий положительные компоненты, включающие пять линз и апертурную диафрагму, имеющий в пространстве между первым и вторым компонентами плоскость промежуточного изображения, при этом все линзы выполнены в виде менисков, третий компонент включает два мениска, положительный мениск первого компонента и второй положительный мениск третьего компонента обращены вогнутостью к плоскости изображений, положительный мениск второго компонента обращен вогнутостью к пространству предметов, апертурная диафрагма размещена между третьим компонентом и плоскостью изображения.The closest in technical essence, adopted as a prototype, is a fast lens with remote pupils for the infrared region of the spectrum [US Patent 6274868 B1, 2001. Optical design - Fig. 3, design parameters - tables 1 and 1a], containing the first located along the rays , the second and third positive components, including five lenses and an aperture diaphragm having in the space between the first and second components the plane of the intermediate image, while all the lenses are made in the form of menisci, the third component includes two menisci, the positive meniscus of the first component and the second positive meniscus of the third component are turned concave to the image plane, the positive meniscus of the second component is turned concavity to the space of objects, the aperture diaphragm is located between the third component and the image plane.
В прототипе второй отрицательный мениск первого компонента обращен вогнутостью к плоскости изображения, все мениски являются асферическими (в каждом мениске одна из преломляющих поверхностей является асферической, всего 5 асферических поверхностей), относительные оптические силы φ1, φ2, φ3 первого, второго и третьего компонентов удовлетворяют соотношению φ1:φ2:φ3=0,305:0,89:1, удаление входного зрачка от первой поверхности составляет по абсолютной величине 0,505 
Основными недостатками прототипа являются нетехнологичность оптической системы объектива из-за наличия в каждом из менисков асферической поверхности и малая величина заднего фокального отрезка. Так, в прототипе пять из 10 преломляющих поверхностей являются асферическими, изготовление которых является трудоемким и имеет высокую себестоимость по сравнению с технологичными сферическими поверхностями, изготавливаемыми на экономическом уровне точности с использованием традиционного оборудования. Наличие большого числа асферических преломляющих поверхностей свидетельствует о том, что в оптической системе объектива не найдены оптимальные соотношения между параметрами компонентов и линз, содержащих только стандартные сферические преломляющие поверхности, позволяющие минимизировать величины остаточных аберраций широких пучков и полевые аберрации до такой степени, чтобы размер фигуры рассеяния был соразмерен дифракционному пятну рассеяния.The main disadvantages of the prototype are the low-tech optical system of the lens due to the presence of an aspherical surface in each meniscus and the small size of the rear focal segment. So, in the prototype, five out of 10 refractive surfaces are aspherical, the manufacture of which is time-consuming and has a high cost compared to technological spherical surfaces made at the economic level of accuracy using traditional equipment. The presence of a large number of aspherical refractive surfaces indicates that the optimal relationships between the parameters of the components and lenses containing only standard spherical refractive surfaces, which minimize the residual aberrations of wide beams and field aberrations to such an extent that the size of the scattering pattern, are not found in the optical system of the lens was proportional to the diffraction spot of scattering.
Требуемая величина заднего фокального отрезка в светосильном объективе с вынесенными зрачками определяется параметрами используемого ФПУ. Современные охлаждаемые ФПУ для ИК области спектра имеют охлаждаемую диафрагму, размещаемую между защитным стеклом криостата ФПУ и плоскостью чувствительных элементов. Для большого класса современных ФПУ оптимальная величина заднего фокального отрезка сопрягаемого с ним объектива должна составлять не менее 25 мм, что для объектива с фокусным расстоянием 50 мм соответствует относительной величине 0,5, а для объектива, например, с фокусным расстояние 25 мм требуемая относительная величина заднего фокального отрезка будет составлять 1. В прототипе нижняя граница диапазона фокусных расстояний ограничена величиной 1,89 дюйма (48 мм), что не позволяет использовать оптическую схему прототипа в малогабаритных тепловизорах, требующих применения объективов с малыми по абсолютной величине фокусными расстояниями.The required value of the back focal segment in a fast lens with remote pupils is determined by the parameters of the FPU used. Modern cooled FPUs for the IR spectral region have a cooled diaphragm placed between the protective glass of the FPU cryostat and the plane of the sensitive elements. For a large class of modern FPUs, the optimal value of the rear focal segment of the lens to be mated with it should be at least 25 mm, which for a lens with a focal length of 50 mm corresponds to a relative value of 0.5, and for a lens, for example, with a focal length of 25 mm, the required relative value the back focal length will be 1. In the prototype, the lower limit of the focal length range is limited to 1.89 inches (48 mm), which does not allow the use of the optical scheme of the prototype in small heat visors requiring the use of lenses with small in magnitude focal lengths.
В предлагаемом светосильном объективе с вынесенными зрачками для ИК области спектра решается задача повышения технологичности путем исключения асферических преломляющих поверхностей из оптической схемы при одновременном увеличении относительной величины заднего фокального отрезка при сохранении светосилы, углового поля в пространстве предметов и высокого качества изображения.In the proposed high-aperture lens with remote pupils for the infrared region of the spectrum, the problem of improving manufacturability is solved by eliminating aspherical refractive surfaces from the optical circuit while increasing the relative magnitude of the back focal segment while maintaining the aperture ratio, angular field in the space of objects and high image quality.
Задача решается тем, что в светосильном объективе с вынесенными зрачками для ИК области спектра, содержащем расположенные по ходу лучей первый, второй и третий положительные компоненты, включающие пять линз и апертурную диафрагму, имеющем в пространстве между первым и вторым компонентами плоскость промежуточного изображения, при этом все линзы выполнены в виде менисков, третий компонент включает два мениска, положительный мениск первого компонента и второй положительный мениск третьего компонента обращены вогнутостью к плоскости изображений, положительный мениск второго компонента обращен вогнутостью к пространству предметов, апертурная диафрагма размещена между третьим компонентом и плоскостью изображения, первый компонент состоит из одного мениска, второй - из двух, при этом второй по ходу лучей отрицательный мениск второго компонента расположен вплотную к первому положительному мениску этого компонента и обращен вогнутостью к плоскости изображений, преломляющие поверхности менисков всех компонентов выполнены сферическими, и имеют место следующие соотношения:The problem is solved in that in a fast lens with remote pupils for the IR region of the spectrum containing the first, second and third positive components located along the rays, including five lenses and an aperture diaphragm, which has an intermediate image plane in the space between the first and second components, all lenses are made in the form of menisci, the third component includes two menisci, the positive meniscus of the first component and the second positive meniscus of the third component are turned concave to the plane of images, the positive meniscus of the second component is turned concavity to the space of objects, the aperture diaphragm is located between the third component and the image plane, the first component consists of one meniscus, the second - of two, while the second negative meniscus of the second component along the rays is located close to the first positive meniscus of this component and turned concavity to the image plane, the refracting surfaces of the menisci of all components are made spherical, and the following relations I have:
φ1:φ2:φ3=(0,30÷0,35):(0,22÷0,28):1φ1: φ2: φ3 = (0.30 ÷ 0.35) :( 0.22 ÷ 0.28): 1
φ1, φ2, φ3 - относительные оптические силы первого, второго и третьего компонентов соответственно;φ 1 , φ 2 , φ 3 are the relative optical powers of the first, second and third components, respectively;
φ4, φ5 - относительные оптические силы соответственно первого и второго по ходу лучей менисков второго компонента;φ 4 , φ 5 are the relative optical forces of the first and second along the meniscus rays of the second component, respectively;
φ6, φ7 - относительные оптические силы соответственно первого и второго по ходу лучей менисков третьего компонента;φ 6 , φ 7 are the relative optical forces of the first and second along the meniscus rays of the third component, respectively;
d1 - расстояние вдоль оптической оси между первым и вторым компонентами;d 1 is the distance along the optical axis between the first and second components;
d2 - расстояние вдоль оптической оси между вторым и третьим компонентами;d 2 is the distance along the optical axis between the second and third components;
f' - фокусное расстояние объектива.f 'is the focal length of the lens.
Более высокие технические характеристики светосильного объектива с вынесенными зрачками для ИК области спектра по сравнению с прототипом обеспечиваются новой совокупностью отличительных признаков:Higher technical characteristics of a fast lens with remote pupils for the IR spectral region compared to the prototype are provided by a new set of distinctive features:
- первый компонент состоит из одного мениска, второй - из двух;- the first component consists of one meniscus, the second - of two;
- второй по ходу лучей отрицательный мениск второго компонента расположен вплотную к первому положительному мениску этого компонента и обращен вогнутостью к плоскости изображений;- the second negative meniscus of the second component along the rays is located close to the first positive meniscus of this component and faces with a concavity to the image plane;
- преломляющие поверхности менисков всех компонентов выполнены сферическими;- the refracting surfaces of the menisci of all components are made spherical;
- в объективе имеют место соотношения (1) и (2).- in the lens are the relations (1) and (2).
Соблюдение указанного в (1) соотношения относительных оптических сил компонентов и расстояний между ними позволяет увеличить величину заднего фокального отрезка до абсолютной величины фокусного расстояния объектива и вместе с тем обеспечить вынос входного зрачка в пространство предметов на достаточную для размещения сканера величину при размещении апертурной диафрагмы в пространстве между последним компонентом и плоскостью изображений.Observance of the ratio of the relative optical powers of the components and the distances between them indicated in (1) allows increasing the size of the back focal length to the absolute value of the focal length of the lens and at the same time ensuring that the entrance pupil is brought into the space of objects by a value sufficient to accommodate the scanner when placing the aperture diaphragm in space between the last component and the image plane.
Выполнение первого компонента из одного мениска, а второго из двух менисков, при этом размещение второго по ходу лучей отрицательного мениска второго компонента вплотную к первому положительному мениску этого компонента и ориентация его вогнутостью к плоскости изображений, при одновременном соблюдении указанного в (1) соотношения относительных оптических сил компонентов и расстояний между ними и указанного в соотношении (2) распределения между оптическими силами менисков во втором и третьем компонентах позволяют обеспечить такое сочетание аберраций осевого пучка, широких наклонных пучков и полевых аберраций компонентов, при котором в плоскости изображений обеспечивается величина аберрационной фигуры рассеяния, соразмерная с дифракционным пятном рассеяния, что позволяет сохранить светосилу, угловое поле в пространстве предметов и высокое качество изображения.Performing the first component from one meniscus and the second from two menisci, while placing the second negative meniscus of the second component along the rays close to the first positive meniscus of this component and orienting it with concavity to the image plane, while observing the relative optical ratios indicated in (1) of the component forces and the distances between them and the distribution between the optical forces of the menisci in the second and third components indicated in relation (2) make it possible to ensure such a combination of the axial beam aberrations, wide inclined beams and field aberrations of the components, in which the scattering aberration figure commensurate with the diffraction scattering spot is ensured in the image plane, which allows maintaining aperture ratio, angular field in the space of objects and high image quality.
Одновременное выполнение указанных соотношений (1) и (2) в совокупности с указанной в отличительных признаках ориентацией второго мениска второго компонента позволяют осуществить распределение оптических сил компонентов и взаимное расположение последних таким образом, чтобы устранение аберраций широких пучков лучей осуществлялось без применения асферических преломляющих поверхностей. Выполнение всех преломляющих поверхностей объектива сферическими позволяет повысить технологичность оптических деталей, снизить трудоемкость изготовления и себестоимость объектива.The simultaneous fulfillment of the indicated relations (1) and (2) in conjunction with the orientation of the second meniscus of the second component indicated in the distinguishing features allows the distribution of the optical forces of the components and the mutual arrangement of the latter so that the aberrations of wide beam beams are eliminated without the use of aspherical refractive surfaces. Performing all the refracting surfaces of the lens spherical allows you to increase the manufacturability of optical parts, reduce the complexity of manufacturing and the cost of the lens.
Совокупность всех введенных признаков в предлагаемом светосильном объективе с вынесенными зрачками для ИК области спектра позволяет решить задачу повышения технологичности и одновременного увеличения относительной величины заднего фокального отрезка при сохранении светосилы, углового поля в пространстве предметов и высокого качества изображения.The combination of all the introduced features in the proposed aperture lens with remote pupils for the IR spectral region allows us to solve the problem of improving manufacturability and at the same time increasing the relative magnitude of the back focal segment while maintaining the aperture, the angular field in the space of objects and high image quality.
Указанное решение обладает новизной и изобретательским уровнем. Изобретение основано на впервые установленной заявителями зависимости между оптическими силами компонентов, оптическими силами линз в компонентах, распределением линз по компонентам, расстояниями между компонентами, ориентацией менисков со сферическими преломляющими поверхностями. Авторам не известны оптические системы светосильных объективов с вынесенными входными зрачками для ИК области спектра, в которых были бы реализованы указанные признаки.The specified solution has a novelty and inventive step. The invention is based on the relationship between the optical powers of the components, the optical powers of the lenses in the components, the distribution of the lenses between the components, the distances between the components, the orientation of the menisci with spherical refractive surfaces, first established by the applicants. The authors are not aware of optical systems of fast lenses with remote entrance pupils for the infrared region of the spectrum in which these features would be realized.
Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:The proposed invention is illustrated by the following graphic materials:
Фиг.1 - оптическая схема светосильного объектива с вынесенными зрачками для ИК области спектра;Figure 1 is an optical diagram of an aperture lens with remote pupils for the infrared region of the spectrum;
Фиг.2 - частотно-контрастные характеристики (ЧКХ) светосильного объектива с вынесенными зрачками для ИК области спектра;Figure 2 - frequency-contrast characteristics (FM) of a fast lens with remote pupils for the infrared region of the spectrum;
Фиг.3 - функция концентрации энергии (ФКЭ) в светосильном объективе с вынесенными зрачками для ИК области спектра;Figure 3 - function of the concentration of energy (PCE) in a fast lens with remote pupils for the infrared region of the spectrum;
Фиг.4 - среднеквадратический размер (RMS) волновой аберрации для различных точек поля в светосильном объективе с вынесенными зрачками для ИК области спектра.Figure 4 - the mean square size (RMS) of the wave aberration for various points of the field in a fast lens with remote pupils for the infrared region of the spectrum.
На фиг.1 изображена предлагаемая оптическая схема светосильного объектива с вынесенными зрачками для ИК области спектра. Оптическая система содержит расположенные по ходу лучей первый, второй и третий (1, 2, 3) положительные компоненты. Первый компонент выполнен в виде положительного мениска 1, обращенного вогнутостью к плоскости изображений. Второй компонент включает положительный мениск 4 и отрицательный мениск 5, обращенные выпуклыми поверхностями друг к другу. Третий компонент включает два положительных мениска 6 и 7, также обращенные выпуклыми поверхностями друг к другу. Апертурная диафрагма, выполняющая функцию выходного зрачка, расположена в пространстве между мениском 7 и плоскостью изображений и отделена от объектива защитным стеклом 8. Проекция апертурной диафрагмы в пространство предметов располагается по ходу лучей перед мениском 1 и обеспечивает вынесенный входной зрачок. В объективе выполняются вышеприведенные соотношения (1) и (2). Дополнительно можно отметить, что расстояние между первым и вторым компонентами, а также между вторым и третьим компонентами достаточно большое и позволяет, для уменьшения габаритных размеров оптической системы при использовании ее в тепловизорах, ввести поворотные зеркала, аналогично прототипу, или оптические элементы для реализации микро- и чересстрочного сканирования (не показаны).Figure 1 shows the proposed optical scheme of a fast lens with remote pupils for the infrared region of the spectrum. The optical system contains the first, second and third (1, 2, 3) positive components located along the rays of the beam. The first component is made in the form of a positive meniscus 1, facing concavity to the image plane. The second component includes a
Первый компонент фокусирует инфракрасное излучение, идущее от каждой точки удаленных объектов в пределах углового поля, определяемого размерами ФПУ и фокусным расстояние объектива, и создает действительное изображение объектов в плоскости промежуточного изображения объектива, которое последовательно менисками 4, 5 второго компонента и менисками 6, 7 третьего компонента через защитное стекло 8 переносится в плоскость изображений объектива, обеспечивая для каждой точки объекта фокусировку в пятно малого размера, сопоставимое по величине с пятном рассеяния, обусловленным дифракцией. Защитное стекло отделяет охлаждаемую диафрагму ФПУ, размещаемую между защитным стеклом криостата ФПУ и плоскостью чувствительных элементов, совмещаемой при работе с плоскостью изображений объектива. Апертурная диафрагма ФПУ совмещается с выходным зрачком объектива и обеспечивает высокое относительное отверстие объектива, отсутствие виньетирования для наклонных пучков лучей и минимизирует поступление на ФПУ фонового ИК излучения. При использовании совместно с линейчатым ФПУ во входном зрачке объектива размещается сканер, например колеблющееся плоское зеркало, обеспечивающее формирование кадра ИК изображения. При использовании совместно с матричным ФПУ во входном зрачке объектива возможна установка оптических элементов для микросканирования и калибровки. При использовании совместно с афокальной телескопической системой (в том числе с переменной или панкратической сменой увеличения) выходной зрачок последней совмещается с входным зрачком объектива, обеспечивая при этом отсутствие виньетирования наклонных пучков лучей при формировании кадра ИК изображения.The first component focuses the infrared radiation coming from each point of the distant objects within the angular field determined by the size of the FPU and the focal length of the lens, and creates a real image of objects in the plane of the intermediate image of the lens, which is sequentially menisci 4, 5 of the second component and menisci 6, 7 of the third component through the protective glass 8 is transferred to the plane of the image of the lens, providing for each point of the object focusing in a spot of small size, comparable in magnitude with a spot of scattering caused by diffraction. The protective glass separates the cooled FPU diaphragm, placed between the protective glass of the FPU cryostat and the plane of sensitive elements, which is combined when working with the image plane of the lens. The FPU aperture diaphragm is combined with the exit pupil of the lens and provides a high relative aperture of the lens, the absence of vignetting for tilted beams of rays and minimizes the arrival of background IR radiation to the FPU. When used in conjunction with a linear FPU, a scanner is placed in the entrance pupil of the lens, for example, an oscillating flat mirror, which ensures the formation of an IR image frame. When used in conjunction with a matrix FPU in the entrance pupil of the lens, it is possible to install optical elements for micro-scanning and calibration. When used in conjunction with an afocal telescopic system (including a variable or pan-zoom change), the exit pupil of the latter is combined with the entrance pupil of the lens, while ensuring the absence of vignetting of inclined beams of rays when forming an IR image frame.
В таблице 1 приведены оптические силы и расстояния между линзами, а в таблице 2 - значения оптических сил компонентов в конкретном примере исполнения светосильного объектива с вынесенными зрачками для ИК области спектра.Table 1 shows the optical powers and distances between the lenses, and in Table 2 the values of the optical powers of the components in a specific example of a high-aperture lens with remote pupils for the infrared region of the spectrum.
Значения параметров в таблице 1 приведены при нормировке фокусного расстояния f'=-1. Спектральный диапазон от 7,7 до 10,3 мкм соответствует спектральной чувствительности линейчатого ФПУ фирмы Sofradir. Материал линз - германий. Относительное отверстие объектива 1:1,68. Угловое поле в пространстве предметов 18,7°.The values of the parameters in table 1 are given when normalizing the focal length f '= - 1. The spectral range from 7.7 to 10.3 μm corresponds to the spectral sensitivity of the ruled FPU company Sofradir. The lens material is germanium. The relative aperture of the lens is 1: 1.68. The angular field in the space of objects is 18.7 °.
В первой строке таблицы 1 указано расстояние до входного зрачка, равное 1,06
Как следует из таблицы 1, между оптическими силами менисков во втором и третьем компонентах объектива имеют место следующие соотношения φ6=-1,07φ4; φ6=φ7, удовлетворяющие соотношению (2). Как следует из таблицы 1, расстояние вдоль оптической оси между компонентами в светосильном объективе с вынесенными зрачками для ИК области спектра связано с фокусным расстоянием объектива следующим образом: d1=2,8
Исходя из приведенных в таблицах 1 и 2 значений, используя стандартную оптимизацию по методу наименьших квадратов, входящую в состав всех современных программ для оптических расчетов, устанавливаются точные значения оптических сил, радиусов преломляющих поверхностей и толщин вдоль оптической оси для конкретного значения фокусного расстояния, величина которого согласована с размером чувствительной площадки ФПУ и требуемым угловым полем в пространстве предметов.Based on the values given in tables 1 and 2, using standard least squares optimization, which is part of all modern programs for optical calculations, the exact values of optical forces, radii of refractive surfaces and thicknesses along the optical axis are established for a specific value of the focal length, the value of which matched with the size of the FPU sensitive area and the required angular field in the space of objects.
Анализ примера реализации светосильного объектива с вынесенными зрачками для ИК области спектра проведен для фокусного расстояния f'=24,5 мм, относительного отверстия 1:1,68, углового поля 18,7°, размера изображения 2y'=8 мм, удаления входного зрачка 26 мм, расстояния от последней поверхности объектива до плоскости изображения 26 мм (задний фокальный отрезок объектива), расстояние от апертурной диафрагмы (выходного зрачка) до плоскости изображения 11,6 мм.An example of the implementation of an aperture lens with remote pupils for the IR spectral region was analyzed for the focal length f '= 24.5 mm, relative aperture 1: 1.68, angular field 18.7 °, image size 2y' = 8 mm, removal of the entrance pupil 26 mm, the distance from the last lens surface to the image plane is 26 mm (rear focal segment of the lens), the distance from the aperture diaphragm (exit pupil) to the image plane is 11.6 mm.
На фиг.2 приведены графики ЧКХ светосильного объектива с вынесенными зрачками для ИК области спектра. На графиках по оси абсцисс отложены значения пространственных частот, в мм-1, отнесенные к задней фокальной плоскости объектива, по оси ординат - значения коэффициентов передачи контраста. Значения ЧКХ приведены для меридионального и сагиттального сечений (обозначение соответственно m и s) для различных точек поля, имеющих различные координаты у': точки на оси (обозначение 0), точка на краю изображения (обозначения 4 s и 4 m), точка на середине изображения (обозначение 2 s и 2 m), а также дифракционная ЧКХ для точки на оси (обозначение Дифр.). Наложение кривых ЧКХ для различных точек поля и их близость к дифракционной ЧКХ свидетельствуют о том, что предлагаемый объектив обеспечивает высокое, дифракционно-ограниченное качество изображения, так же как и прототип. Это позволяет использовать его, например, в сканирующих тепловизионных системах с современными приемниками ИК излучения.Figure 2 shows graphs of the frequency response of the fast lens with remote pupils for the infrared region of the spectrum. On the graphs along the abscissa axis the values of spatial frequencies are plotted, in mm -1 , referred to the rear focal plane of the lens, along the ordinate axis are the values of contrast transmission coefficients. The frequency response values are given for the meridional and sagittal sections (designation m and s respectively) for different points of the field having different coordinates y ': points on the axis (designation 0), a point on the edge of the image (
В качестве других критериев, подтверждающих высокое качество изображения в предлагаемом объективе, на фиг.3 приведены графики ФКЭ, а на фиг.4 - графики RMS волновой аберрации для различных точек поля: на оси, на середине и на краю поля изображения (обозначения координаты у' соответственно 0, 2 и 4), а также дифракционная ФКЭ (на фиг.3 обозначение Дифр.). Из расчетных данных следует, что для различных точек поля изображения в пятне диаметром 25 мкм, соответствующем шагу матричного или линейчатого ИК ФПУ, ФКЭ имеет следующие значения:As other criteria confirming the high quality of the image in the proposed lens, Fig. 3 shows the PCE graphs, and Fig. 4 - RMS wave aberration plots for various points of the field: on the axis, in the middle and on the edge of the image field (coordinate notation 'respectively 0, 2, and 4), as well as diffractive PCE (in Fig. 3, the designation Diphr.). From the calculated data, it follows that for various points of the image field in a spot with a diameter of 25 μm corresponding to the step of a matrix or line IR FPU, the FFE has the following values:
что свидетельствует о дифракционно-ограниченном качестве изображения, даваемом светосильным объективом с вынесенными зрачками для ИК области спектра в пределах указанного углового поля в пространстве предметов.which indicates the diffraction-limited image quality provided by a fast lens with remote pupils for the IR region of the spectrum within the specified angular field in the space of objects.
Значения RMS волновой аберрации на фиг.4 приведены в долях основной длины рабочего спектрального интервала и не превышают величины 0,07 л, т.е. удовлетворяют критерию Марешаля для всех точек поля, что подтверждает высокое качество изображения предлагаемого объектива.The RMS values of the wave aberration in Fig. 4 are given in fractions of the main length of the working spectral interval and do not exceed 0.07 L, i.e. satisfy the Marechal criterion for all points of the field, which confirms the high image quality of the proposed lens.
Таким образом, предлагаемый светосильный объектив с вынесенными зрачками для ИК области спектра, обладающий совокупностью указанных отличительных признаков, в сравнении с прототипом позволяет при сохранении светосилы, углового поля в пространстве предметов и высокого качества изображения повысить технологичность путем исключения асферических преломляющих поверхностей из оптической схемы при одновременном увеличении относительной величины заднего фокального отрезка.Thus, the proposed aperture lens with remote pupils for the IR region of the spectrum, having the combination of these distinguishing features, in comparison with the prototype, while maintaining the aperture ratio, the angular field in the space of objects and high image quality, can improve manufacturability by eliminating aspherical refractive surfaces from the optical circuit while an increase in the relative magnitude of the posterior focal segment.
Реализация технических преимуществ предлагаемого изобретения позволяет упростить конструкцию и снизить трудоемкость изготовления объектива по предлагаемому изобретению, расширить возможности его сопряжения с современными ФПУ с охлаждаемыми диафрагмами, в том числе в малогабаритных тепловизионных приборах со сканированием.The implementation of the technical advantages of the invention allows to simplify the design and reduce the complexity of manufacturing the lens according to the invention, to expand the possibilities of its interfacing with modern FPUs with cooled diaphragms, including in small-sized thermal imaging devices with scanning.
ЛитератураLiterature
1. RU 2006128691 А. Оптическая система для ИК области спектра, 2008.1. RU 2006128691 A. Optical system for the IR spectral region, 2008.
2. Патент РФ №2281536, 2006.2. RF patent No. 2281536, 2006.
3. Патент US 6274868 В1, 2001.3. Patent US 6274868 B1, 2001.
Claims (1)
φ1:φ2:φ3=(0,30÷0,35):(0,22÷0,28):1;
d1=(2,5÷3)|f'|; d2=(1,7÷2,1)|f'|;
φ5=-(0,9÷1,2)φ4; φ6=-(0,9÷1,2)φ7,
где φ1, φ2, φ3 - относительные оптические силы первого, второго и третьего компонентов, соответственно;
φ4, φ5 - относительные оптические силы, соответственно, первого и второго по ходу лучей менисков второго компонента;
φ6, φ7 - относительные оптические силы, соответственно, первого и второго по ходу лучей менисков третьего компонента;
d1 - расстояние вдоль оптической оси между первым и вторым компонентами;
d2 - расстояние вдоль оптической оси между вторым и третьим компонентами;
f' - фокусное расстояние объектива. A fast lens with remote pupils for the IR region of the spectrum, containing the first, second and third positive components located along the rays, including five lenses and an aperture diaphragm, which has an intermediate image plane in the space between the first and second components, while all lenses are made in the form of menisci , the third component includes two menisci, the positive meniscus of the first component and the second positive meniscus of the third component are turned concave to the image plane, the positive the claim of the second component is turned by concavity to the space of objects, an aperture diaphragm is placed between the third component and the image plane, characterized in that the first component consists of one meniscus, the second of two, while the second negative meniscus of the second component along the rays is located close to the first positive the meniscus of this component is turned with a concavity to the image plane, the refracting surfaces of the menisci of all components are made spherical, and the following relationships hold:
φ 1 : φ 2 : φ 3 = (0.30 ÷ 0.35) :( 0.22 ÷ 0.28): 1;
d 1 = (2.5 ÷ 3) | f '|; d 2 = (1.7 ÷ 2.1) | f '|;
φ 5 = - (0.9 ÷ 1.2) φ 4 ; φ 6 = - (0.9 ÷ 1.2) φ 7 ,
where φ 1 , φ 2 , φ 3 are the relative optical powers of the first, second and third components, respectively;
φ 4 , φ 5 - relative optical forces, respectively, of the first and second along the rays of the menisci of the second component;
φ 6 , φ 7 - relative optical forces, respectively, of the first and second along the rays of the menisci of the third component;
d 1 is the distance along the optical axis between the first and second components;
d 2 is the distance along the optical axis between the second and third components;
f 'is the focal length of the lens.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008134733/28A RU2379723C1 (en) | 2008-08-25 | 2008-08-25 | High-aperture lens with offset pupils for infrared area of spectrum |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008134733/28A RU2379723C1 (en) | 2008-08-25 | 2008-08-25 | High-aperture lens with offset pupils for infrared area of spectrum |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2379723C1 true RU2379723C1 (en) | 2010-01-20 |
Family
ID=42120953
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008134733/28A RU2379723C1 (en) | 2008-08-25 | 2008-08-25 | High-aperture lens with offset pupils for infrared area of spectrum |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2379723C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2576346C1 (en) * | 2014-11-26 | 2016-02-27 | Открытое акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева" | Objective lens with offset entrance pupil |
-
2008
- 2008-08-25 RU RU2008134733/28A patent/RU2379723C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2576346C1 (en) * | 2014-11-26 | 2016-02-27 | Открытое акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева" | Objective lens with offset entrance pupil |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9689744B2 (en) | Visible-infrared plane grating imaging spectrometer | |
| US5114238A (en) | Infrared catadioptric zoom relay telescope | |
| EP3669226B1 (en) | Two-color very wide field of view refractive eyepiece-type optical form | |
| US5229880A (en) | Three field of view refractive afocal telescope | |
| US5140459A (en) | Apparatus and method for optical relay and reimaging | |
| RU2400784C1 (en) | Infrared objective lens with two fields of vision and remote aperture diaphragm | |
| RU2419113C1 (en) | Optical system with pinhole aperture for middle infrared range | |
| RU2379723C1 (en) | High-aperture lens with offset pupils for infrared area of spectrum | |
| US4768869A (en) | Catadioptric imaging system | |
| RU134671U1 (en) | LIGHT LIGHT FOR IR IR SPECTRUM | |
| CN113009675B (en) | Optical system, image capturing module and electronic equipment | |
| NZ511257A (en) | Imaging system having a dual cassegrain-like format | |
| JPH10142497A (en) | Infrared optical system | |
| US11209633B2 (en) | Iris image acquisition system | |
| RU2510059C1 (en) | Infrared objective lens with two fields of vision and remote aperture diaphragm | |
| RU2410733C1 (en) | Double-spectrum infrared lens having aperture diaphragm in image space | |
| RU2385475C1 (en) | High-aperture wide-angle lens for infrared spectrum (versions) | |
| GB2085184A (en) | Afocal dual magnification refractor telescopes | |
| RU96987U1 (en) | LIGHT POWER LENS WITH EXTENDED PUPILS FOR THE INFRARED SPECTRUM | |
| CN218272922U (en) | Optical adapter, camera and polarized light endoscope | |
| Shafer | Optical design with only two surfaces | |
| CN218272921U (en) | Optical adapter, optical imaging device and polarized light endoscope | |
| CN218675673U (en) | High axial resolution linear dispersion objective lens device | |
| Zacharias et al. | URAT: astrometric requirements and design history | |
| US10969578B2 (en) | Unobscured five-mirror afocal telescope |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180826 |